CN201242451Y - 一种光纤光栅传感阵列解调装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤光栅传感阵列解调装置。本实用新型中四端口3－dB光纤耦合器的输入端口通过光纤隔离器与半导体激光器连接，输出端口与光电二极管、数据采集卡、快速傅立叶变换分析仪顺序连接；四端口3－dB光纤耦合器的另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤由电光调制器分为测量段单模光纤和连接段单模光纤两段，电光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接；测量段单模光纤中插入三端口3－dB光纤耦合器，其中输入端的两端口分别与测量段单模光纤连接，另一个端口与由多个与激光光源中心波长一致的光纤布拉格光栅串联而成的光纤布拉格光栅传感阵列光连接。本实用新型能做到极高的响应速度，满足实时传感的要求，并且成本相对较低。

Description

一种光纤光栅传感阵列解调装置

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及了一种光纤光栅传感阵列解调装置。

背景技术

光纤布拉格光栅(FBG)由于其特有的光纤内部敏感、波长编码、易于组网等优点而成为光纤传感的一种重要器件。基于已经发展起来的波分复用(WDM)和时分复用(TDM)技术，光纤光栅阵列被广泛用于光纤准分布式传感，如：铁路、大桥、水坝等的健康监测，主干输电线沿线的温度监控。其中，WDM要求每一个FBG传感器具有不同的布拉格波长，需要一个宽带光源(带宽往往大于40nm)作为输入光源，还需要一套相对复杂的波长敏感系统来进行复用信号的解复用，如：可调法布里-泊罗滤波器、富里叶频谱计、波长敏感耦合器等。而在TDM中，一般采用窄脉冲光源输入，各个FBG传感器的反射光信号利用不同的延时实现信号复用，用高速光电探头接收反射的脉冲，并由解调端的高速门处理电路解复用。这两套复用技术，都需要成本较高的光源和复杂的解调系统，直接导致了FBG传感网络的成本居高不下，限制了其很多实际应用。

电光调制器利用非线性效应，可以在一定范围内精确改变经过调制器的光波的频率；萨尼亚克(Sagnac)环由于其结构的对称性，对外界温度变化，机械振动等干扰不敏感，在光纤传感，光纤检测等领域应用十分广泛；使用基于电光调制器光频变换的Sagnac环实现的FBG准分布式传感阵列，结构简单，抗干扰性强，不需要高速的光电元件，成本很低，因此非常适用于实际应用。

发明内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种采用电光调制器光频变换技术的光纤光栅传感阵列解调装置。

本实用新型的具体方案是：半导体激光器通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器的输出端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与快速傅立叶变换分析仪电连接。

所述的激光光源的中心波长在通讯波段，其3dB线宽小于等于0.1nm。

四端口3-dB光纤耦合器的另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤由电光调制器分为两段，分别为测量段单模光纤和连接段单模光纤，长度分别为L_a和L_b，L_a>>L_b，电光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接；测量段单模光纤中插入三端口3-dB光纤耦合器，三端口3-dB光纤耦合器的输入端的两端口分别与测量段单模光纤连接，另一个端口与光纤布拉格光栅传感阵列光连接。

所述的光纤布拉格光栅传感阵列由多个与激光光源中心波长一致的光纤布拉格光栅串联而成，光纤布拉格光栅的反射率小于3％。

本实用新型中，电光调制器利用非线性效应，可以在一定范围内精确改变经过调制器的光波的频率。同时，萨尼亚克环对外界温度变化、机械振动等干扰不敏感。本实用新型适用于一般性的光纤布拉格光栅准分布式传感阵列，与传统的方案相比，采用了电子频率扫描，而不是使用低速的机械控制的波长扫描装置，能做到极高的响应速度，满足实时传感的要求；并且由于不需要短脉冲激光，高速光电二极管和高速数据采集卡，因此成本相对较低；另外由于传感阵列连入萨尼亚克环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，半导体激光器1通过光纤隔离器2与四端口3-dB光纤耦合器3的一个输入端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器3的另一个输入端口与光电二极管4的输入端光连接，光电二极管4的输出端与数据采集卡5的输入端电连接，数据采集卡5的输出端与FFT分析仪6电连接。四端口3-dB光纤耦合器3的两个输出端口通过单模光纤连接，单模光纤由电光调制器8分为两段，分别为测量段单模光纤11和连接段单模光纤7，长度分别为L_a和L_b，L_a>>L_b。电光调制器8的电驱动信号口与正弦信号发生器9电连接。测量段单模光纤11中插入三端口3-dB光纤耦合器10，三端口3-dB光纤耦合器10的输入端的两端口分别与测量段单模光纤11连接，另一个输出端口与传感阵列单模光纤13连接。多个传感FBG12依次串联在传感阵列单模光纤13上。

具体检测中，半导体激光光源发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克环中。

激光进入萨尼亚克环后分为两路，其中一路进入长度已知的测量段单模光纤，再通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到由多个与激光光源中心波长一致的光纤布拉格光栅串联成的光纤布拉格光栅传感阵列，激光被传感阵列上的各个光纤布拉格光栅反射；反射后的激光经过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，通过电光调制器产生变频，所述的电光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的激光经过长度已知的连接段单模光纤，回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感阵列上第i个光纤布拉格光栅反射的光束回到四端口3-dB光纤耦合器，其电场强度E_1-i为：

$E_{1-i}=-J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)E_i\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_a+2L_i}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_b}{C}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})])\\ +\exp (i(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_a+2L_i}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_b}{C}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})])\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中J₁为一阶贝塞尔函数，α为电光调制器驱动信号的归一化振幅，E_i为第i个光纤布拉格光栅反射的激光的电场强度，ω为激光的角频率，Ω为电光调制器驱动信号的角频率。n为单模光纤的折射率，C为光速，L_i为第i个光纤布拉格光栅与三端口3-dB光纤耦合器之间的光纤长度，L_a为测量段单模光纤的长度，L_b为连接段单模光纤的长度，L_a>>L_b。

另一路激光首先经过长度已知的连接段单模光纤，然后通过电光调制器产生变频，变频后的激光进入长度已知的测量段单模光纤；激光通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到光纤布拉格光栅传感阵列，激光被光纤布拉格光栅传感阵列上的各个光纤布拉格光栅反射，反射后的激光经过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，再回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感阵列上第i个光纤布拉格光栅反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时的电场强度E_2-i为：

$E_{2-i}=-J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)E_i\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_b}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_a+2L_i}{C}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})])\\ +\exp (i(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_b}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_a+2L_i}{C}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})])\end{array}\right\}---\left(2\right)$

第i个光纤布拉格光栅对应的两束激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射的激光的强度I_T-i为：

$I_{T-i}={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right){\left|E_i\right|}^2\left[\begin{array}{c}4+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}{L}_b)\right]+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_a+2L_i))\right]\\ +4\cos \left[(2\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_a+L_b+2L_i))\right]+4\cos \left[\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_a+2L_i-L_b)\right]\end{array}\right]---\left(3\right)$

光电二极管探测第i个光纤布拉格光栅对应的透过萨尼亚克环的激光的强度，同时光强信号转化为电信号，光电二极管的截至频率为f_b，f_b<<Ω，由光电二极管接收到的光强I_T为：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\&alpha;}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\right)\{4+4\cos \left[\frac{\mathrm{n\&Omega;}}{C}(L_a+2L_i+L_b)\right]\}---\left(4\right)$

电光调制器的驱动频率Ω按照2πwt作线性变化，通过线性扫描，各个传感FBG反射的激光的透射光强分别按cos(f_it)变化

$f_{i}t=2\mathrm{\&pi;n}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{wt}---\left(5\right)$

其中f_i为光强变化的频率。

电信号经数据采集卡，进行快速傅立叶变换(FFT)，在频谱上得到式(5)对应的各个峰。通过测量各个峰的频率f_i得到对应的传感光纤布拉格光栅在光纤布拉格光栅传感网络上的位置L_i：

$L_i=(\frac{{\mathrm{Cf}}_i}{2\mathrm{\&pi;n\&omega;}}-L_a+L_b)/2---\left(6\right)$

频谱上各个峰的强度由对应的各个传感布拉格光栅中心波长与光源的中心波长的位置差的大小决定。依次在各个传感光纤布拉格光栅上施加应力，使中心波长向长波方向漂移，记录中心波长的移动量与频谱上对应的各个峰的强度的改变关系。

将各个光纤布拉格光栅安装在需要传感的环境中，环境中待测物理量改变时，各个传感光纤布拉格光栅的中心波长发生移动，并引起频谱上对应的峰值的强度改变；根据记录的中心波长的移动量与频谱上对应的各个峰的强度改变的关系，得到各个光纤布拉格光栅中心波长的移动量，最终得到各个光纤布拉格光栅所传感的环境物理量。

光纤布拉格光栅的中心波长的波长漂移量与对应传感的环境物理量变化(微弯、温度、应力等变化)间的关系为现有技术。

Claims (1)

1、一种光纤光栅传感阵列解调装置，其特征在于：半导体激光器通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器的输出端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与快速傅立叶变换分析仪电连接；

四端口3-dB光纤耦合器的另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤由电光调制器分为两段，分别为测量段单模光纤和连接段单模光纤，长度分别为L_a和L_b，L_a>>L_b，电光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接；测量段单模光纤中插入三端口3-dB光纤耦合器，三端口3-dB光纤耦合器的输入端的两端口分别与测量段单模光纤连接，另一个端口与光纤布拉格光栅传感阵列光连接；

所述的激光光源的中心波长在通讯波段，其3dB线宽小于等于0.1nm；所述的光纤布拉格光栅传感阵列由多个与激光光源中心波长一致的光纤布拉格光栅串联而成，光纤布拉格光栅的反射率小于3％。